Fluidos de Perforación: Filtración, Revoque y Propiedades Reológicas

Enviado por Programa Chuletas y clasificado en Diseño e Ingeniería

Escrito el 4 de Enero de 2025 en español con un tamaño de 23,67 KB

La pérdida de filtrado hacia una formación porosa y permeable ocurre cuando la presión hidrostática del lodo excede la presión de la formación y el lodo tiene sólidos adecuados para formar un revoque. Función del lodo: 1. sellar las formaciones permeables, 2. controlar el filtrado. Problemas potenciales: pozo reducido, torque, tuberías pegadas, pérdida de circulación, calidad inferior de registros, daño a la formación, socavamiento, setups. Revoque: se forma un revoque en la cara del pozo, su composición es determinada por los sólidos contenidos en el lodo. Problemas potenciales debido al exceso de revoque: puntos apretados, mayor suabeo y pistoneo debido a menor espacio anular libre, pegadura por presión diferencial de la columna debido a las superficies de contacto y el desarrollo de grandes fuerzas de adhesión causado por la excesiva filtración, dificultades en la cementación, registros. Exceso de filtración: daño a la formación por invasión de filtrado y sólidos, precipitación de compuestos, permeabilidad relativa, taponamiento por finos, swelling, prueba falsa sobre el muestreo de los fluidos de formación, dificultades en las evaluaciones de la formación por mala transmisión de datos de registros, problemas mecánicos de sondeo. El filtrado desplaza a hidrocarburo por lo que no se detectan. Fundamentos de la filtración: los fluidos de perforación son lechadas que se componen de una fase líquida y sólida. La filtración se refiere a la acción mediante la cual la presión diferencial hace entrar a la fase líquida del lodo de perforación dentro de una formación permeable. Durante este proceso, las partículas son filtradas formando un revoque. Permeabilidad: capacidad de fluido para fluir a través de formaciones. Tipos de filtración: estática (ocurre cuando el lodo no está circulando) y dinámica (ocurre cuando el lodo está circulando). Teoría de filtración: para que la filtración ocurra; debe haber fluido o líquido de sólidos, debe haber un medio ambiente, y la presión de fluido debe ser más alta que la presión del medio permeable.

Durante la perforación, se hace circular un fluido a través del pozo. Se perforan zonas permeables como las areniscas y se mantiene generalmente la presión hidrostática de la columna de lodo a una presión superior a la presión poral. Así, un revoque de sólidos de lodo se acumula sobre las formaciones permeables. Mientras tanto, el filtrado fluirá a través del revoque y dentro de la formación. El espesor del revoque y la profundidad de invasión de filtrado son controlados por: concentración de sólidos, presión diferencial, permeabilidad del revoque, tiempo de exposición. Durante la exposición inicial de una formación permeable a un fluido de perforación, cuando los sólidos del lodo están formando un revoque de baja permeabilidad en el pozo, se produce una alta tasa de filtración y los sólidos finos del lodo invaden la formación. Esta tasa de filtración inicial se llama pérdida instantánea. La filtración estática ocurre bajo condiciones estáticas, es decir, en cualquier momento en que el lodo no está circulando. Varios factores controlan la tasa de filtración bajo estas condiciones. La ley de Darcy, un modelo clásico de flujo de fluido, ayuda a identificar los factores que afectan la filtración. También se puede usar para ilustrar el volumen de filtrado y el espesor del revoque. La ley de Darcy se aplica al flujo de fluidos a través de materiales permeables (arena, arenisca o revoque). Puede ser usada para establecer la relación entre la tasa de filtración y la permeabilidad, superficie de la sección transversal, presión diferencial, viscosidad del filtrado y espesor del revoque.

q = k A P / μh

Donde:

q = Caudal de filtrado (cm³/seg)
k = Permeabilidad (darcys)
A = Superficie de la sección transversal (cm²)
P = Presión diferencial (atmósferas)
μ = Viscosidad (cP)
h = Espesor del revoque (cm)

FACTORES QUE AFECTAN LA FILTRACIÓN: Tiempo. Cuando todas las otras condiciones son constantes (presión, superficie, viscosidad, permeabilidad), la tasa de filtración y la velocidad de crecimiento del revoque disminuyen progresivamente con el tiempo, de la manera pronosticada por la ley de Darcy. Para pronosticar el volumen de filtrado, VF2, sobre un periodo de tiempo considerado, t2, a partir de una medida de filtración, VF1, tomada a un periodo de tiempo, para VF1.

Funciones del Fluido de Perforación

Las funciones del fluido de perforación describen las tareas que el fluido de perforación es capaz de desempeñar:

Retirar los recortes del pozo.
Controlar las presiones de la formación.
Suspender y descargar los recortes.
Obturar las formaciones permeables.
Mantener la estabilidad del agujero.
Minimizar los daños al yacimiento.
Enfriar, lubricar y apoyar la barrena y el conjunto de perforación.
Transmitir la energía hidráulica a las herramientas y a la barrena.
Asegurar una evaluación adecuada de la formación.
Controlar la corrosión.
Facilitar la cementación y la completación.
Minimizar el impacto al ambiente.

Remoción de los Recortes del Pozo

Los recortes de perforación deben ser retirados del pozo a medida que son generados por la barrena. A este fin, se hace circular un fluido de perforación dentro de la columna de perforación y a través de la barrena, el cual arrastra y transporta los recortes hasta la superficie, subiendo por el espacio anular. La remoción de los recortes (limpieza del agujero) depende del tamaño, forma y densidad de los recortes. Viscosidad. La viscosidad y las propiedades reológicas de los fluidos de perforación tienen un efecto importante sobre la limpieza del pozo. Los recortes se sedimentan rápidamente en fluidos de baja viscosidad (agua, por ejemplo) y son difíciles de circular fuera del pozo. En general, los fluidos de mayor viscosidad mejoran el transporte de los recortes. La mayoría de los lodos de perforación son tixotrópicos, es decir que se gelifican bajo condiciones estáticas. Esta característica puede suspender los recortes mientras que se efectúan las conexiones de tuberías y otras situaciones durante las cuales no se hace circular el lodo. Los fluidos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte y que tienen altas viscosidades a bajas velocidades anulares han demostrado ser mejores para una limpieza eficaz del pozo. La velocidad a la cual un recorte se sedimenta en un fluido se llama velocidad de caída. La velocidad de caída de un recorte depende de su densidad, tamaño y forma, y de la viscosidad, densidad y velocidad del fluido de perforación.

Si la velocidad anular del fluido de perforación es mayor que la velocidad de caída del recorte, el recorte será transportado hasta la superficie. La velocidad neta a la cual un recorte sube por el espacio anular se llama velocidad de transporte. Velocidad de transporte: los recortes se sedimentan en la parte baja del pozo, en sentido perpendicular a la trayectoria de flujo del fluido, y no en sentido contrario al flujo de fluido de perforación. En los pozos horizontales, los recortes se acumulan a lo largo de la parte inferior del pozo, formando camas de recortes. Estas camas restringen el flujo, aumentan el torque, y son difíciles de eliminar. Se usan dos métodos diferentes para las situaciones de limpieza difícil del pozo que suelen ser encontradas en los pozos de alto ángulo y horizontales:

El uso de fluidos tixotrópicos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte y que tienen una alta Viscosidad a Muy Baja Velocidad de Corte (LSRV) y condiciones de flujo laminar.
El uso de un alto caudal y de un lodo fluido para obtener un flujo turbulento.

El flujo turbulento proporcionará una buena limpieza del pozo e impedirá que los recortes se sedimenten durante la circulación, pero éstos se sedimentarán rápidamente cuando se interrumpa la circulación. Este método funciona manteniendo recortes suspendidos bajo el efecto de la turbulencia y de las altas velocidades anulares.

Prueba del Lodo base Agua

Densidad del Fluido (Peso del Lodo balanza): La densidad (comúnmente llamada peso del lodo) se mide con una balanza de lodo de suficiente precisión para obtener mediciones con un margen de error de 0,1 lb/gal. La densidad significa el peso por volumen unitario y se mide pesando el lodo.
Viscosidad: El viscosímetro de Marsh es usado para la medición de rutina en el campo, de la viscosidad del lodo de perforación. El medidor de V-G (viscosidad-gravedad) de Fann es usado para completar la información obtenida con el viscosímetro de Marsh, especialmente en lo que se refiere a las características de gel del lodo.

Viscosímetro Rotativo

Descripción: Los viscosímetros de indicación directa son instrumentos de tipo rotativo accionados por un motor eléctrico o una manivela. El fluido de perforación está contenido dentro de espacio anular entre dos cilindros concéntricos. El cilindro exterior o manguito de rotor es accionado a una velocidad rotacional (RPM – revoluciones por minuto) constante.

El uso de fluidos tixotrópicos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte y que tienen una alta Viscosidad a Muy Baja Velocidad de Corte (LSRV) y condiciones de flujo laminar.
El uso de un alto caudal y de un lodo fluido para obtener un flujo turbulento.

Prueba del Lodo base Agua

Densidad del Fluido (Peso del Lodo balanza): La densidad (comúnmente llamada peso del lodo) se mide con una balanza de lodo de suficiente precisión para obtener mediciones con un margen de error de 0,1 lb/gal. La densidad significa el peso por volumen unitario y se mide pesando el lodo.
Viscosidad: El viscosímetro de Marsh es usado para la medición de rutina en el campo, de la viscosidad del lodo de perforación. El medidor de V-G (viscosidad-gravedad) de Fann es usado para completar la información obtenida con el viscosímetro de Marsh, especialmente en lo que se refiere a las características de gel del lodo.

Viscosímetro Rotativo

Filtración: La propiedad de filtración o formación de paredes de un lodo es determinada con un filtro prensa. La prueba consiste en determinar la velocidad a la cual se fuerza un fluido a través del papel filtro. La prueba es realizada bajo las condiciones de tiempo, temperatura y presión especificadas. Después de la prueba se mide el espesor del revoque sólido que se ha asentado. El filtro prensa usado debería cumplir con las especificaciones indicadas en la Práctica Recomendada de API y la prueba debería ser realizada de la manera recomendada.

Medidor de pH

La medición en el campo del pH del fluido de perforación (o filtrado) y los ajustes del pH son operaciones críticas para el control del fluido de perforación. Las interacciones de la arcilla, la solubilidad de distintos componentes y la eficacia de los aditivos dependen del pH, al igual que en el control de los procesos de corrosión causada por ácidos y el sulfuro.

pH

El valor de pH se usa para describir la acidez o basicidad de las soluciones. El valor de pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno. Bajos valores de pH corresponden a una acidez creciente y altos valores de pH corresponden a una alta basicidad. Un cambio de una unidad de pH corresponde a un aumento de diez veces la concentración de iones hidrógeno.

Reología

La reología es la ciencia que trata de la deformación y del flujo de la materia. Viscosidad: es la resistencia al flujo de una sustancia. Propiedades reológicas del fluido de perforación:

Viscosidad embudo (seg/qt o seg/l).
Viscosidad aparente (cP o mPa•seg).
Viscosidad efectiva (cP o mPa•seg).
Viscosidad plástica (cP o mPa•seg).
Punto cedente (lb/100 pies² o Pa).
Viscosidad a baja velocidad de corte y Viscosidad a Muy Baja Velocidad de Corte (LSRV) (cP o mPa•sec).
Esfuerzos de gel (lb/100 pies² o Pa).

Viscosidad de Embudo

La viscosidad de embudo se mide usando el viscosímetro de Marsh. La viscosidad de embudo se usa como indicador relativo de la condición del fluido. No proporciona suficiente información para determinar las propiedades reológicas o las características de flujo de un fluido. Debería usarse en el campo para detectar los cambios relativos en las propiedades del fluido.

Esfuerzo de Corte y Velocidad de Corte

Viscosidad (μ) = esfuerzo de corte/velocidad de corte

Los conceptos de velocidad de corte y esfuerzo de corte se aplican al flujo de todos los fluidos. Dentro de un sistema de circulación, la velocidad de corte depende de la velocidad media del fluido en la geometría en que está fluyendo. Por lo tanto, las velocidades de corte son mayores en las geometrías pequeñas (dentro de la columna de perforación) y menores en las geometrías grandes (como la tubería de revestimiento y los espacios anulares del riser). Cuando un fluido está fluyendo, hay una fuerza en el fluido que se opone al flujo. Esta fuerza se llama esfuerzo de corte. Se puede describir como un esfuerzo de fricción que aparece cuando una capa de fluido se desliza encima de otra. La velocidad a la cual una capa pasa por delante de la otra capa se llama velocidad de corte. Por lo tanto, la velocidad de corte es un gradiente de velocidad.

Esfuerzo de Corte

El esfuerzo de corte (τ) es la fuerza requerida para mantener la velocidad de corte.

Viscosidad Plástica

La viscosidad plástica (VP) en centipoise (cP) o milipascales-segundo (mPa•s) se calcula a partir de los datos del viscosímetro de lodo, como: PV (cP) = Θ600 – Θ300 La viscosidad plástica se describe generalmente como la parte de la resistencia al flujo que es causada por la fricción mecánica. La viscosidad plástica es afectada principalmente por:

La concentración de sólidos.
El tamaño y la forma de los sólidos.
La viscosidad de la fase fluida.
La presencia de algunos polímeros de cadena larga (POLY-PLUS®, hidroxietilcelulosa (HEC), POLYPAC®, Carboximetilcelulosa (CMC)).
Las relaciones aceite-agua (A/A) o Sintético-Agua (S/A) en los fluidos de emulsión inversa.

Viscosidad Efectiva

La viscosidad de un fluido no newtoniano cambia con el esfuerzo de corte. La viscosidad efectiva (μe) de un fluido es la viscosidad de un fluido bajo condiciones específicas. Estas condiciones incluyen la velocidad de corte, la presión y la temperatura.

Viscosidad Aparente

La viscosidad efectiva a veces es llamada Viscosidad Aparente (VA). La viscosidad aparente está indicada por la indicación del viscosímetro de lodo a 300 RPM. aparente concuerdan con la fórmula de viscosidad: 300 x Θ AV (cP) = 300 x *(viscoc de lodo) /infinito.

Tixotropía y Esfuerzos de Gel

La tixotropía es la propiedad demostrada por algunos fluidos que forman una estructura de gel cuando están estáticos, regresando luego al estado de fluido cuando se aplica un esfuerzo de corte. La mayoría de los fluidos de perforación base agua demuestran esta propiedad, debido a la presencia de partículas cargadas eléctricamente o polímeros especiales que se enlazan entre sí para formar una matriz rígida.

Efecto de la Temperatura y la Presión sobre la Viscosidad

Los aumentos de temperatura y presión afectan la viscosidad de las fases líquidas de todos los fluidos de perforación. El efecto es más pronunciado sobre los fluidos de emulsión inversa que sobre los fluidos base agua. Los fluidos base agua son fluidos hidráulicos casi perfectos. Estos fluidos no se comprimen perceptiblemente bajo presión. En cambio, los fluidos base aceite y base sintético son comprimibles hasta cierto punto.

Fluido Newtoniano

Los fluidos de base (agua dulce, agua salada, aceite diesel, aceites minerales y sintéticos) de la mayoría de los fluidos de perforación son newtonianos. En estos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte. La viscosidad de un fluido newtoniano es la pendiente de esta línea de esfuerzo de corte/velocidad de corte. El esfuerzo de cedencia (esfuerzo requerido para iniciar el flujo) de un fluido newtoniano siempre será cero (0). Los fluidos no newtonianos demuestran una relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte. La relación de esfuerzo de corte a velocidad de corte no es constante, sino diferente a cada velocidad de corte. Esto significa que un fluido no newtoniano no tiene ninguna viscosidad única o constante que pueda describir su comportamiento de flujo a todas las velocidades de corte. Para describir la viscosidad de un fluido no newtoniano a una velocidad de corte en particular, se usa una “viscosidad efectiva”. La viscosidad efectiva se define como la relación (pendiente) de esfuerzo de corte a velocidad de corte, a una velocidad de corte determinada.

Control de Filtración

Una de las funciones básicas del fluido de perforación es sellar las formaciones permeables y controlar la filtración (pérdida de filtrado). Los problemas potenciales relacionados con los revoques gruesos y la filtración excesiva incluyen las condiciones de pozo reducido, el aumento del torque y arrastre, tuberías pegadas, la pérdida de circulación, la calidad inferior de los registros y daños a la formación. Con frecuencia se requiere un control adecuado de la filtración y la deposición de un revoque delgado de baja permeabilidad para evitar los problemas de perforación y producción.

Problemas potenciales relacionados con el espesor excesivo del revoque:

Puntos apretados en el pozo que causan un arrastre excesivo.
Mayor suabeo y pistoneo debido a la reducción del espacio anular libre.
Pegadura por presión diferencial de la columna de perforación debido a la mayor superficie de contacto y al desarrollo rápido de las fuerzas de adhesión causado por la tasa de filtración más alta.
Dificultades con la cementación primaria debido al desplazamiento inadecuado del revoque.
Mayor dificultad para bajar el revestidor.

Problemas potenciales relacionados con la invasión excesiva de filtrado:

Daños a la formación causados por la invasión de filtrado y sólidos. La zona dañada está ubicada a una profundidad demasiado grande para que pueda ser reparada mediante perforación o acidificación.
Prueba inválida de muestreo del fluido de la formación. Las pruebas de flujo del fluido de la formación pueden dar resultados que se refieren al filtrado y no a los fluidos del yacimiento.
Dificultades en la evaluación de la formación causadas por la invasión excesiva de filtrado, la mala transmisión de las propiedades eléctricas a través de revoques gruesos, y posibles problemas mecánicos al bajar y recuperar las herramientas de registro.
Las zonas de aceite y gas pueden pasar desapercibidas porque el filtrado está desplazando a los hidrocarburos, alejándolos del pozo, lo cual dificulta su detección.

La filtración se refiere a la acción mediante la cual la presión diferencial hace entrar a la fase líquida del lodo de perforación dentro de una formación permeable. Durante este proceso, las partículas sólidas son filtradas, formando un revoque. La permeabilidad se refiere a la capacidad del fluido para fluir a través de formaciones. La filtración ocurre bajo condiciones tanto dinámicas como estáticas, durante las operaciones de perforación. La filtración bajo condiciones dinámicas ocurre mientras el fluido de perforación está circulando. La filtración estática ocurre en otros momentos – durante las conexiones, los viajes o cuando el fluido no está circulando.

Pruebas de Filtración Estática

El procedimiento de filtración de API es realizada durante 30 minutos a temperatura ambiente con una presión diferencial de 100 psi a través del papel filtro. Las variaciones de temperatura afectan esta prueba; por lo tanto se recomienda realizar esta prueba cada vez a más o menos la misma temperatura.

Filtración Estática

La filtración estática ocurre bajo condiciones estáticas, es decir en cualquier momento en que el lodo no está circulando. Varios factores controlan la tasa de filtración bajo estas condiciones. La ley de Darcy, un modelo clásico de flujo de fluido, ayuda a identificar los factores que afectan la filtración. También se puede usar para ilustrar el volumen de filtrado y el espesor del revoque.

Factores que Afectan la Filtración

Tiempo. Cuando todas las otras condiciones son constantes (presión, superficie, viscosidad, permeabilidad), la tasa de filtración y la velocidad de crecimiento del revoque disminuyen progresivamente con el tiempo, de la manera pronosticada por la ley de Darcy.

Para Fluidos de Perforación Base Agua

Arcillas: Tres arcillas son usadas como aditivos de lodo: atapulgita, sepiolita y bentonita de sodio. M-I GEL® y M-I GEL SUPREME™ están compuestos de bentonita de sodio (o montmorillonita de sodio), la cual forma parte del grupo de arcillas esméctitas. La atapulgita (SALT GEL®) y la sepiolita (DUROGEL®) son arcillas en forma de aguja que son usadas como viscosificadores coloidales mecánicos en las salmueras de alta salinidad. Estas arcillas no proporcionan control de filtración.

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